JP2023523357A - Multi-fiber light guide, device with multi-fiber light guide, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
マルチファイバライトガイド(1)であって、多数の導光ファイバ(3)を含み、各々のファイバ(3)は細長いガラスコア(5)を含み、ここで、前記コア(5)はガラスクラッド(7)によって取り囲まれており、前記クラッド(7)は前記コア(5)と共に堅い連続したガラス部材(9)を形成し、且つ、前記コア(5)は前記クラッド(7)よりも高い屈折率を有して、光が前記ガラスコア(5)に沿った全反射によって導かれることができ、且つ前記マルチファイバライトガイド(1)のガラス部材(9)は2つの突き合わせ面(10、11)を有し、前記コア(5)は両方の突き合わせ面(10、11)で終了しており、光が前記コア(5)に沿って一方の突き合わせ面(10)から他方の突き合わせ面(11)へと導かれることができ、且つ、前記コア(5)のガラスおよび前記クラッド(7)のガラスはアルカリイオンを含有し、且つ、前記ガラスのアルカリイオンは、各々の前記突き合わせ面(10、11)でのイオン交換層(13)内でより大きな原子番号のアルカリイオンによって少なくとも部分的に交換されており、イオン交換層(13)内の交換されたアルカリイオンが前記突き合わせ面(10、11)で圧縮応力を付与する、マルチファイバライトガイド(1)。A multi-fiber light guide (1) comprising a number of light guiding fibers (3), each fiber (3) comprising an elongated glass core (5), wherein said core (5) comprises a glass cladding ( 7), said cladding (7) forming a rigid continuous glass member (9) with said core (5), and said core (5) having a higher refractive index than said cladding (7). so that light can be guided by total internal reflection along the glass core (5), and the glass member (9) of the multi-fiber light guide (1) has two butting surfaces (10, 11) , said core (5) terminating in both abutment surfaces (10, 11) such that light passes along said core (5) from one abutment surface (10) to the other abutment surface (11) and the glass of the core (5) and the glass of the cladding (7) contain alkali ions, and the alkali ions of the glasses are distributed on each of the abutment surfaces (10, 11 ) are at least partially exchanged by higher atomic number alkali ions in the ion exchange layer (13) at the abutment surfaces (10, 11). A multi-fiber light guide (1) that is compressively stressed at .
Description
この開示は一般に、ファイバ光学ライトガイドに関する。具体的には、本開示は多数の融着された導光ファイバを備えたファイバ光学素子に関する。 This disclosure relates generally to fiber optic light guides. Specifically, the present disclosure relates to fiber optics comprising multiple fused optical guiding fibers.
融着された光ファイバで構成されるファイバ光学ライトガイドの1つの種類はファイバ光学フェースプレートである。米国特許出願公開第2008/0069505号明細書(US2008/0069505 A1)は、ピクセルから離れて載置されたファイバ光学フェースプレートで覆われたピクセルディスプレイを開示している。さらに、米国特許出願公開第2006/0008220号明細書(US2006/0008220 A1)は、ファイバフェースプレートを使用した光学ローパスフィルタを記載している。 One type of fiber optic light guide composed of fused optical fibers is a fiber optic faceplate. US Patent Application Publication No. 2008/0069505 (US2008/0069505 A1) discloses a pixelated display covered with a fiber optic faceplate mounted away from the pixels. Further, US2006/0008220 A1 describes an optical low-pass filter using a fiber faceplate.
ディスプレイの前面で使用されるファイバ光学プレートは、視野角を増加または減少させるか、または一般に像面をディスプレイに対してシフトさせるために役立つことができる。フェースプレートにおいて個々のファイバは、ファイバの長手方向がフェースプレートの面に対して横切って一緒に融着される。ファイバはフェースプレートの面に対して垂直方向に一緒に融着されるので、融着領域はプレートを通して横切って延在する弱い区域をもたらすことがある。さらに、ファイバ光学ライトガイド用のガラスは、その光学特性ゆえに選択される。従って、適したガラスは、機械的な安定性に関して必ずしも最も強いガラスであるとは限らない。従って、堅いマルチファイバライトガイドは、機械的応力で、特に衝撃またはショックによって破壊しやすい。 A fiber optic plate used in front of the display can serve to increase or decrease the viewing angle, or generally shift the image plane with respect to the display. At the faceplate the individual fibers are fused together with the longitudinal direction of the fibers transverse to the plane of the faceplate. Because the fibers are fused together perpendicular to the plane of the faceplate, the fused regions can result in areas of weakness extending transversely through the plate. Furthermore, glasses for fiber optic light guides are chosen for their optical properties. A suitable glass is therefore not necessarily the strongest glass in terms of mechanical stability. Therefore, rigid multi-fiber light guides are prone to breakage under mechanical stress, especially impact or shock.
従って、この開示の課題は、破壊を回避するために改善された機械的安定性を有するマルチファイバライトガイドを提供することである。前記課題は、独立請求項の主題によって解決される。従属請求項は有利な改良態様を定義する。 It is therefore an object of this disclosure to provide a multi-fiber light guide with improved mechanical stability to avoid breakage. Said problem is solved by the subject matter of the independent claims. The dependent claims define advantageous refinements.
従って、この開示は、多数の導光ファイバを含み、各々のファイバが細長いガラスコアを含む、マルチファイバライトガイドを提供する。コアはガラスクラッドによって取り囲まれるので、クラッドはコアと共に堅い連続したガラス部材を形成する。コアはクラッドよりも高い屈折率を有するので、光はガラスコアに沿って全反射によって導かれ得る。マルチファイバライトガイドのガラス部材(9)は2つの突き合わせ面を有し、コアは両方の突き合わせ面で終了するので、光はコアに沿って一方の突き合わせ面から他方へと導かれ得る。さらに、コアのガラスおよびクラッドのガラスはアルカリイオンを含有する。ガラスのアルカリイオンは、各々の突き合わせ面でのイオン交換層内で少なくとも部分的に、より高い原子番号のアルカリイオンと交換される。このように、イオン交換層内で交換されたアルカリイオンは、突き合わせ面で圧縮応力を付与する。従って、化学強化された突き合わせ面を有するマルチファイバライトガイドが提供される。意外なことに、コアのガラスおよびクラッドのガラスがそれらの化学組成において異なるにもかかわらず、圧縮応力を有する連続層が突き合わせ面で形成され得ることが判明した。 Accordingly, this disclosure provides a multi-fiber light guide that includes multiple light guiding fibers, each fiber including an elongated glass core. The core is surrounded by a glass cladding so that the cladding forms a rigid continuous glass member with the core. Since the core has a higher refractive index than the cladding, light can be guided along the glass core by total internal reflection. The glass member (9) of the multi-fiber light guide has two mating surfaces and the core terminates on both mating surfaces so that light can be guided along the core from one mating surface to the other. In addition, the core glass and the cladding glass contain alkali ions. The alkali ions of the glass are at least partially exchanged with higher atomic number alkali ions in the ion exchange layers at each abutment surface. Alkali ions thus exchanged within the ion exchange layer impart compressive stress at the abutment surfaces. Accordingly, a multi-fiber light guide with chemically strengthened butting surfaces is provided. Surprisingly, it has been found that a continuous layer with compressive stress can be formed at the abutting surfaces even though the core and cladding glasses differ in their chemical composition.
イオン交換層は、コア、クラッド、および/またはコアとクラッドとを取り囲むシェルのガラス中に延在する。有利には、イオン交換層はガラスコア、ガラスクラッドおよび/またはガラスシェルに侵入する。有益には、ガラスコア中のイオン交換層の侵入深さは、ガラスクラッド中のイオン交換層の侵入深さとは異なり、特にそれより小さい。シェルは、マルチファイバライトガイドの外側からの応力に対する、特に横方向の誘導応力に対する追加的な機械的安定性を提供する。 The ion exchange layer extends into the glass of the core, cladding, and/or shell surrounding the core and cladding. Advantageously, the ion exchange layer penetrates into the glass core, glass cladding and/or glass shell. Advantageously, the penetration depth of the ion-exchange layer in the glass core is different, especially smaller, than the penetration depth of the ion-exchange layer in the glass cladding. The shell provides additional mechanical stability against stresses from outside the multi-fiber light guide, especially against laterally induced stresses.
1つの実施態様によれば、マルチファイバライトガイドを形成するガラス部材は、それぞれプレートまたはディスクである。プレート状またはディスク状のガラス部材を有するこの実施態様において、ライトガイドの突き合わせ面は典型的にはガラス部材の最長の横寸法よりも共に接近している。従って、ディスクまたはプレートの厚さは最長の横寸法よりも小さい。ディスクの厚さがファイバの長さを定義するので、同様に、導光ファイバの長さは最長の横寸法よりも短い。この種のマルチファイバライトガイドはフェースプレートと称される。好ましくは、この条件はディスクまたはプレートの最短の横寸法にも保持される。従って、好ましくは、プレートの厚さ、またはファイバまたはコアの長さは、ディスクの最短の横寸法よりも小さい。 According to one embodiment, the glass members forming the multi-fiber light guide are respectively plates or discs. In this embodiment with plate-like or disk-like glass members, the abutting surfaces of the light guides are typically closer together than the longest lateral dimension of the glass members. Therefore, the thickness of the disc or plate is less than its longest lateral dimension. Since the thickness of the disc defines the length of the fiber, the length of the guiding fiber is likewise less than the longest lateral dimension. This kind of multi-fiber light guide is called a faceplate. Preferably, this condition also holds for the shortest lateral dimension of the disc or plate. Therefore, preferably the thickness of the plate, or the length of the fiber or core, is less than the shortest lateral dimension of the disc.
さらなる実施態様によれば、マルチファイバライトガイドは細長い形状を有する。この実施態様において、ファイバの長さはガラス部材の最長の横寸法よりも大きい。 According to a further embodiment, the multi-fiber light guide has an elongated shape. In this embodiment, the fiber length is greater than the longest lateral dimension of the glass member.
前記マルチファイバライトガイド、その製造方法、前記マルチファイバライトガイドを含む素子を以下で詳細に、図面を参照して説明する。 The multi-fiber light guide, its manufacturing method, and the device containing the multi-fiber light guide are described in detail below with reference to the drawings.
図1は、ディスクまたはプレートのような形状を有するマルチファイバライトガイド1の例を示す。この実施態様において、幅wまたはその横寸法は、一般にライトガイド1の厚さdまたは長さよりも大きい。
FIG. 1 shows an example of a
一般に、ライトガイド1は多数の導光ファイバ3を含む。特定の実施態様に限定されることなく、ファイバ3は、それらの長手方向が一般に互いに並行であるように並んで配置される。ファイバ3はクラッド7中に埋め込まれたコア5を含む。コア5およびクラッド7のガラスが一緒に融着されて、コア5とクラッド7とが連続した堅いガラス部材9を形成する。好ましくは、個々のファイバは微視的なサイズであり、高い空間分解能で光信号を転送することを可能にする。図1に示される特定の例に限定されない1つの実施態様によれば、隣接する導光ファイバ3のピッチまたは中心から中心までの距離cは、2μm~500μm、好ましくは最大200μmである。好ましくは、コア5の間のクラッド7の幅は0.5μmを上回り、好ましくは1μmを上回り、好ましくは1.5μmを上回る。いくつかの場合においては、コア5の間のクラッド7の幅は2μmを上回ることがある。
In general, the
導光ファイバ3は、ガラス部材9の両方の対向する突き合わせ面10、11で終了する。このように、ファイバ3が突き合わせ面10、11をつないでいるので、ファイバ3は、突き合わせ面10、11の一方で受け取られた光を導き、それぞれ対向する突き合わせ面11、10で光を放出する。一方では、ガラス部材9またはマルチファイバライトガイド1の直径は、5mmを上回り、好ましくは15mmを上回り、好ましくは25mmを上回り、且つ/または50mm未満、好ましくは40mm未満、好ましくは30mm未満であってよい。他方では、ガラス部材9またはマルチファイバライトガイド1の厚さは、0.3mmを上回り、好ましくは0.6mmを上回り、好ましくは1mmを上回り、且つ/または2mm未満、好ましくは1.6mm未満、好ましくは1.3mm未満であってよい。このように、ガラス部材9またはマルチファイバライトガイド1の直径対厚さの比は、2~170、好ましくは16~25であってよい。そのような寸法は、マルチファイバライトガイド1の広い用途分野、例えば電子機器のカバーガラスを提供すると共に、充分な機械的安定性を確実にする。
The light guiding
コア5とクラッド7との間の界面は突き合わせ面10、11を横切る方向に延在し、弱い区域を構成することがある。マルチファイバライトガイド1の強度、特に弱い区域の強度を改善するために、突き合わせ面10、11をイオン交換工程に供して、突き合わせ面10、11の表面でイオン交換層13を形成する。
The interface between the
連続したイオン交換層を達成するために、コア5のガラスとクラッド7のガラスとの両方がアルカリ酸化物を有する組成を有することが好ましい。好ましくはコア5および/またはクラッド7、または場合によりさらにシェル17のガラスの合計のアルカリ含有率、特に合算したアルカリ含有率は、特により小さなイオン半径を有するアルカリイオンの量がより大きなイオン半径を有するアルカリイオンの量を超える場合、3質量%を上回り、好ましくは5質量%を上回る。有益には、より小さなイオン半径を有するアルカリイオンの量の、より大きなイオン半径を有するアルカリイオンの量に対するモル%での比の値は1.5を上回り、好ましくは2を上回り、より好ましくは2.2を上回る。いくつかの場合において、大きなイオン半径を有するアルカリイオンは不在であるか、またはむしろそれらの量は極めて少ない。5%を上回るアルカリ含有率のおかげで、充分且つ特に改善された化学的交換を達成できるので、充分な量の圧縮応力をコア5、クラッド7および/またはシェル17のガラス中に付与できる。理想的には、コア5のガラスはクラッド7のガラスよりも低いアルカリ含有率を有する。このように、コア5および/またはクラッド7中に付与される圧縮応力を、特定の用途および/またはガラス組成について個々に調節できる。
In order to achieve a continuous ion exchange layer, it is preferred that both the
イオン交換工程において、ガラスのアルカリイオンは、より大きなイオン半径を有するより重いアルカリイオンによって部分的に交換される。このように、イオンはイオン交換層13内でガラスに圧縮応力を付与する。イオン交換工程によれば、Naイオンがコア5および/またはクラッド7のガラスから拡散により侵出する。典型的には、且つ交換工程にかかる時間に依存して、より大きな原子半径を有するアルカリイオン、主にKイオンがコア5および/またはクラッド7のガラス中に侵入して、イオン交換層13を形成する。コア5および/またはクラッド7のガラス中のより大きな原子半径を有するアルカリイオンの侵入深さは、イオン交換の10時間後に好ましくは2μmを上回り、より好ましくは2.5μmを上回る。イオン交換の20時間後、特に20時間よりも後の侵入深さは、3μm~35μm以上であることができる。表面で充分に高い圧縮応力を作り出し、且つ引き続く研磨段階を可能にできるために、1.5μmを上回る侵入深さが好ましい。コア5中のより大きなアルカリイオンの侵入深さ、ひいてはDoL(イオン交換層の深さ)が、クラッド7のものよりも大きいことが可能であり得る。有益には、コア5中のより大きな原子半径を有するアルカリイオンの侵入深さは、クラッド7中のより大きな原子半径を有するアルカリイオンの侵入深さよりも小さい。好ましくは、コア5およびクラッド7中のより大きな原子半径を有するアルカリイオンの侵入深さの差、またはコアおよびクラッド中のDoLの差はそれぞれ、20または30時間後に2倍~20倍、特にそれは少なくとも10倍である。
In the ion exchange process, the alkali ions of the glass are partially exchanged by heavier alkali ions with larger ionic radii. Thus, the ions impart compressive stress to the glass within the
このように、イオン交換に起因する光学特性における影響、例えばコア5のガラスの応力複屈折は非常に低いか、またはないことすらあるので、コア5の所望の光学特性はイオン交換工程の間およびイオン交換後に保持され得る。圧縮応力と同時に、少なくとも強化された機械的安定性をクラッドに付与できる。このように、クラッド7を通じて、および特にコア5またはファイバ間で成長および/または伝搬し得る、またはさらにはガラス部材9またはマルチファイバライトガイド1全体を通じて横切って伝搬し得るクラックを防ぐか、または少なくとも低減することができる。さらに、コア5とクラッド7との異なるレベルの圧縮応力および/またはガラスの組成に起因して、クラックの伝搬はそれらの界面で妨げられ得る。一般に、ガラス部材を塩浴中に完全に浸漬することによってイオン交換層13が生成される場合、ガラス部材9の表面全体でイオン交換が生じる。従って、ガラス部材9の連続的な横方向の圧縮を達成できる。さらに、表面またはイオン交換層13で、コア5とクラッド7との間での交差拡散が可能である。これは深さ圧縮における勾配をもたらすことができ、それはより深いガラスの領域から面(10、11)へと増加し得る。従って、好ましくは、面(10、11)での深さ圧縮は、より深いガラスの領域におけるよりも強い。典型的には、好ましい実施態様によれば、イオン交換層13はまた、2つの突き合わせ面10、11の間をつなぎ且つそこに延在する外周の表面またはシェル17に沿って延在する。
Thus, the desired optical properties of the
図2はマルチファイバライトガイド1の突き合わせ面10、11の写真画像を示す。一般に、図2の例におけるように、コア5は六角形の断面を有し得る。さらに、一般に且つコア5の断面形状に限定されることなく、コア5を六角形のパターンに配置することができる。それらの特徴はいくつかの点で有利であることができる。ピクセルディスプレイの画像が一方の突き合わせ面から対向する面へと転送される場合、六角形のパターンは、光が出てくる突き合わせ面でのモアレパターンの回避を助けることができる。さらに、コア5とクラッドとの間の界面のハニカム状構造は機械的安定性を高めることができる。
FIG. 2 shows a photographic image of the mating surfaces 10, 11 of the multi-fiber
図2の例においても実現されるさらなる実施態様によれば、クラッド7のガラスは少なくとも部分的に光吸収性であることができる。これは一般に、ファイバ3の間のクロストークまたは光の浸み出しを低減するために有利である。図2の実施態様においても実現される1つの実施態様によれば、クラッド7のガラスはブラックガラスである。しかしながら、着色ガラスの場合のように、ガラスは部分的に吸収性であってもよい。この場合、ガラスはスペクトル依存性およびスペクトルにより変化する吸収を有する。例えば、ガラスは茶色、赤色または紫色であってよい。
According to a further embodiment, which is also realized in the example of FIG. 2, the glass of the
ファイバ3の間のクロストークを低減する他の方法は、ガラス部材9内にさらなる吸収ファイバを備えることであり、それは導光ファイバのコア5の間に配置される。それらの実施態様の2つの例を図3および4に示す。図3は、個々の導光ファイバ3と、前記導光ファイバ3の間の隙間に配置される光吸収ファイバ15との積み重ねを示す。積み重ねのファイバ3、15は一緒に融着されて堅いロッドを形成できる。次いで、ロッドから所望の寸法の部分を切断することによって、マルチファイバライトガイド1を製造できる。
Another way to reduce crosstalk between
図4は、ファイバが一緒に融着されて堅い連続したガラス部材9を形成するマルチファイバライトガイド1の例を示す。この例において、コア5は正方形のパターンで配置されている。4つのコア5の2つおきの交点に、光吸収ファイバ15が配置されている。コア5と光吸収ファイバ15との両方がクラッド7によって取り囲まれている。堅いガラス部材9内の追加的な光吸収ファイバ15は、壁外吸収をもたらして、クロストークを低減するか、またはマルチファイバライトガイド1を斜めに通過する光を遮断する。
FIG. 4 shows an example of a multi-fiber
この例において、マルチファイバライトガイド1は、3つの異なるガラス、つまり、コア5のガラス、クラッド7のガラス、および光吸収ファイバ15のガラスを含む。光吸収ファイバ15のガラスは他のガラスの1つと同様であってよいが、光を吸収する色素または染料、例えば着色イオンを含む。
In this example, the multi-fiber
図5はマルチファイバライトガイド1のさらなる実施態様を示す。このライトガイドは、ファイバ3の中央の配置の周りに延在する周囲のシェル17を含む。特に、このシェル17もガラス製であり、シェル17がライトガイド1のガラス部材9の一体化した部分を形成する場合が有利である。従って、ガラス部材9はガラスシェル17を含み、それが束ねられたファイバ3、またはコア5が埋め込まれているクラッド7をそれぞれ取り囲む。このように、シェルは突き合わせ面10、11の外周部分も形成する。
FIG. 5 shows a further embodiment of the multi-fiber
1つの改良態様によれば、このシェル17のガラス、特にシェル17のガラスの組成、好ましくはシェル17のアルカリ含有率は、コア5およびクラッド7のガラス、ガラスの組成および/またはアルカリ含有率とは異なり得る。従って、この実施態様において、ガラス部材9は3つの異なるガラス、つまり、コア5のガラス、クラッド7のガラスおよびシェル17のガラスを含む。さらに、ガラスシェル17が、コア5およびクラッド7のように化学強化されて、イオン交換によって突き合わせ面10、11でイオン交換層13が形成されることができ、それが好ましくは、ガラス部材9またはマルチファイバライトガイド1の表面全体にわたって、特に突き合わせ面10、11の全体にわたって連続的に延在する場合が有利である。
According to a refinement, the glass of this
ガラス部材9またはマルチファイバライトガイド1の少なくとも横方向の機械的強度を改善するために、有利には、シェル17の幅はクラッド7の幅、特にコア5の間のクラッド7の幅よりも大きい。シェルの好ましい幅は、ガラス部材9またはマルチファイバライトガイド1の外径全体の1%よりも大きく、好ましくは2%よりも大きく、好ましくは4%よりも大きく、且つ/またはガラス部材9またはマルチファイバライトガイド1の外径全体の10%よりも小さく、好ましくは8%よりも小さく、好ましくは6%よりも小さい。研磨されたガラス部材9の場合などのいくつかの特別な場合において、シェル17の幅は、ガラス部材9の外径の1%未満であることができる。
Advantageously, the width of the
フェースプレートの形態でのマルチファイバライトガイドの改善された機械的強度を、球落下試験で調査した。化学強化されたフェースプレートのフェースプレート試料を、化学強化されていないフェースプレートと比較した。全ての試料は約13mmの直径を有した。試料を鋼板上に制振材なしで配置した。鋼球を試料の上に垂直に落下させた。試料が破壊するまで鋼球の重量を増加させて試験を繰り返した。結果を下記の表に示す:
上記の表から明らかなとおり、衝撃またはショックに対する機械的強度は、化学強化によって著しく増加される。化学強化された試料のほぼ80%が1gの球落下試験に耐える一方で、強化されていない試料の半分より多くは重量1gで既に破壊される。 As is evident from the table above, the mechanical strength against impact or shock is significantly increased by chemical strengthening. Nearly 80% of the chemically strengthened samples survive the 1 g ball drop test, while more than half of the unreinforced samples already break at 1 g weight.
さらに、化学強化のためのイオン交換は、マルチファイバライトガイドの光学特性に悪影響も及ぼさない。 Moreover, ion exchange for chemical strengthening does not adversely affect the optical properties of the multi-fiber light guide.
図6は強化されていないライトガイドに比した、化学強化されたライトガイドの透過率のグラフを示す。比較のために、マルチファイバライトガイドの透過率を強化前に測定した。次いで、ライトガイドを20時間のイオン交換に供した。このイオン交換手順および化学強化後、透過率の測定を繰り返した。それぞれ、曲線(b)はイオン交換前の透過率であり、曲線(a)はイオン交換工程または化学強化後の透過率を表す。曲線から理解されるとおり、透過率はほぼ影響されないままである。意外にも、透過率はイオン交換後にわずかに高くさえあり、これはイオン交換層13における屈折率の変化に起因し得る。
FIG. 6 shows a graph of the transmittance of a chemically enhanced light guide compared to an unenhanced light guide. For comparison, the transmittance of the multi-fiber light guide was measured before enhancement. The light guide was then subjected to ion exchange for 20 hours. After this ion exchange procedure and chemical strengthening, the permeability measurements were repeated. Curve (b) represents the permeability before ion exchange and curve (a) represents the permeability after the ion exchange step or chemical strengthening, respectively. As can be seen from the curves, the transmittance remains largely unaffected. Surprisingly, the transmittance is even slightly higher after ion exchange, which can be attributed to the change in refractive index in the
この開示によるマルチファイバライトガイド1は光学センサ用の窓として特に適している。従って、1つの実施態様によれば、センサ要素、例えばフォトダイオードを含み、前記センサ要素が、この開示によるマルチファイバライトガイドを含むハウジング内に入れられている光学センサ構造体が提供される。マルチファイバライトガイドは、光をハウジングの外側からセンサ要素に導くように配置される。窓としてマルチファイバライトガイドを使用するために、センサ構造体が、そのセンサによって検知されるべき物体を調べ且つ照射するための光源も含む場合がさらに特に有利である。この場合、ライトガイドは、窓の外側の突き合わせ面での内部反射に起因する、光源からセンサへの直接的な信号の経路を効果的に抑制できる。この抑制により、光源とセンサとの両方のために、単一の共通の窓を使用することが可能になる。従って、この実施態様の改良態様において、センサ構造体は、光源、好ましくは半導体光源、例えば発光ダイオード(LED)またはレーザーダイオード(LD)をハウジング内に含み、そこで、光源およびセンサ要素は、マルチファイバライトガイドに対して、光源がマルチファイバライトガイドを通じて光を放出し、且つセンサ要素が同じマルチファイバライトガイドを通じて光を受け取るように配置されている。
The multi-fiber
図7は、マルチファイバライトガイド1を備えたそのようなセンサ構造体を示す。センサ構造体はハウジング22を含む。好ましくはフェースプレートの形態でのマルチファイバライトガイド1がハウジング22の一部を形成して、光がハウジング内部に透過されることができ、逆もまた然りである。センサ構造体20は、センサ要素24を含む。好ましい実施態様において、光源26も含まれる。センサ要素24および光源26は、マルチファイバライトガイド1に面する共通のプリント回路板28上に載置される。示されるとおり、光学センサ構造体20は、1つより多くの光源26も含み得る。示される例において、センサ要素22は2つの光源26間に配置される。
FIG. 7 shows such a sensor structure with a multi-fiber
センサ要素24と光源26とのための窓としてのフェースプレートの作用を説明するために、2つの光線30、31を図示する。光線31は、ハウジング22内の窓が単純な透明のプレートである場合に可能な経路である。このように、光線31は窓の外側の面で反射されることができ、次いで、外部の相互作用域32内での相互作用はなく直接的にセンサ要素24上に当たることができる。代わりに、マルチファイバライトガイド1を窓として使用する場合、光線31はライトガイドファイバ3内で外側の突き合わせ面に導かれる。光線が外側の面で反射される場合であっても、それはファイバ3内で導かれて戻り、従ってセンサ部材に到達することができる。このように、望ましくないバックグラウンド信号が最小化される。センサ構造体22から放出された後、光線は外部の相互作用域32と相互作用し、ライトガイド1を通じてハウジング22に再度入り、最終的にセンサ部材24に到達することができる。
To illustrate the action of the faceplate as a window for
光線30によって引き起こされるバックグラウンドノイズを回避するために、光源26とセンサ要素24とのために別途の窓を使用する必要があることもある。対照的に、マルチファイバライトガイドでは、充分に大きな直径を有する単独の窓で充分であり、同じ領域内でより高いセンサおよび/または光源の密度が可能になる。これは、光学センシングに関してより高い集積をもたらす。
It may be necessary to use separate windows for
一般に、センサ構造体20の1つの好ましい実施態様は、光学式心拍数モニタである。さらに、センサ構造体20は、ウェアラブル機器、例えばスマートウォッチであってよい。例えば光学式心拍数モニタを備えた腕時計の形態でのウェアラブル機器の場合、ハウジングは典型的には窓またはフェースプレートと共にそれぞれ身体に固定され、肌と接触する。ウェアラブル機器は、例えばその機器が取り外されて硬質表面に置かれる場合、特に衝撃を受けやすい。しかしながら、化学強化された突き合わせ面のおかげで、衝撃の応力に起因する破壊、または少なくとも外側の表面の欠けの可能性は少なくなる。この開示による、ガラス部材9を備えたマルチファイバライトガイドは、ウェアラブル機器のために頻繁に使用されるプラスチックの窓に比して著しく耐久性もある。それらのプラスチック窓は経時的に劣化し、且つ防水性、耐久性および審美性に関して性能の問題を有する。
In general, one preferred implementation of
上述の例において、マルチファイバライトガイド1はプレート状に成形されている。しかしながら、ガラス部材9の最長の横寸法よりも長い導光ファイバ3の長さを有する細長いライトガイドの使用も考えられる。1つの例は歯科用ロッドである。それらのロッドは光を治療域に導いて、例えば歯科治療用の光重合性充填剤を硬化させるために使用される。
In the above example, the multi-fiber
マルチファイバライトガイド1のさらなる実施態様としての歯科用ロッド35を図8に示す。歯科用ロッド35は、導光ファイバ3の長さがガラス部材9の最長の横寸法よりも長い、細長いライトガイドとして成形される。図において、単一の導光ファイバ3が、導光ファイバの配向および配置を説明するために斜線として描かれる。マルチファイバライトガイド1の突き合わせ面10、11だけでなく、シェル17も化学強化されており、ガラス部材9は衝撃のショックに耐えるように安定化されている。例えば強化は、歯科用ロッドを備えた器具が不用意に落とされた場合に破壊を回避することを助けることができる。
A dental rod 35 as a further embodiment of the multi-fiber
さらに、図8の実施態様は、マルチファイバライトガイド1のさらなる改良態様の例である。第1の改良態様によれば、2つの突き合わせ面10、11はそれらの断面において異なり得る。この違いは、突き合わせ面10、11の表面積および形状または輪郭の少なくとも1つを含み得る。前記の例において、断面の表面積は、突き合わせ面11の表面積が対向する突き合わせ面10の表面積よりも小さいことで異なる。従って、マルチファイバライトガイド1は、描かれた例においても実現されるように、先細りであり得る。
Furthermore, the embodiment of FIG. 8 is an example of a further refinement of the multi-fiber
さらに、一般にはマルチファイバライトガイド1は少なくとも1つの曲がりを含み得る。上述の特徴はプレート状のマルチファイバライトガイドを用いて実現できるが、一般には、細長いライトガイド1についてより効果的である。ガラス部材9の曲がりと先細りとの両方を熱間成形によって作ることができる。先細りはガラス部材を加熱して、軸方向に引っ張ることによって生成される。このように、ファイバ3の数は一定のままである。しかしながら、ファイバの直径は先細りに沿って減少する。
Furthermore, in general the multi-fiber
本願内で議論されるライトガイド1の様々な形状とは関係なく、マルチファイバライトガイドを適切なプリフォームから出発する延伸工程を使用して製造することができる。延伸を繰り返すことにより、ファイバの直径が連続的に減少して小さな、特に微視的な横寸法を有するファイバが得られる。
Irrespective of the various shapes of
具体的には、マルチファイバライトガイド1を、図9~図12を用いても説明される以下の段階を含む方法で製造できる:
・ 第1のガラスの少なくとも1つのロッド41と、第1のガラスよりも低い屈折率を有する第2のガラスの少なくとも1つのガラス部材43とを有するプリフォーム40を準備し、プリフォーム40を、ロッド41が前記第2のガラスによって取り囲まれるように組み立てる段階、
・ プリフォームを加熱し、ロッド41を少なくとも1つのガラス部材43に融着する段階、および
・ プリフォーム40を延伸して、その長さを増加し且つロッド41の横寸法を減少させる段階、
・ 延伸されたプリフォーム40を部分47に切断する段階、および
・ 前記部分を組み立てて、さらなるプリフォーム40を形成する段階、ここで、部分47を新たなプリフォームに組み立てる段階、新たなプリフォームを延伸する段階、および延伸されたプリフォーム40を部分47に切断する段階を、好ましくは少なくとも1回繰り返す、
・ プリフォーム40から部分47を切断して、第2のガラスのクラッドによって取り囲まれた第1のガラスのコアを有する多数の導光ファイバ3を含む本願内に記載されるガラス部材9を得る段階、
・ アルカリイオンを含有する塩浴50中に前記ガラス部材を浸漬して、ガラス部材9のガラス中のアルカリイオンとのイオン交換を行って、ガラスに圧縮応力をかけるイオン交換層13をガラス部材表面で形成する段階。
Specifically, the multi-fiber
- providing a
- heating the preform to fuse the
- cutting the stretched
- cutting a
The glass member is immersed in a
好ましくは、第1のガラス、特に所望のコア5のガラスの熱膨張係数(CTE)は、第2のガラス、特にクラッド7の所望のガラスのCTEとは異なる。不整合、特にさらなる段階の間の引張応力を防ぐために、第1のガラス、特に所望のコア5のガラスのCTEは、第2のガラス、特にクラッド7の所望のガラスのCTEよりも小さい。有利には、特に少なくともわずかな圧縮を生成するために、第1のガラス、特に所望のコア5のガラスのCTEは、第2のガラス、特にクラッド7の所望のガラスのCTEよりも大きい。第1のガラスのCTEと第2のガラスのCTEとの差は、CTE(クラッド/コア)=CTE第2のガラス-CTE第1のガラスの差として特定される。この仕様によれば、+3.5ppm/K~-1ppm/KのCTE(クラッド/コア)の差が好ましい。正の値はクラッド7のガラスの圧縮をもたらす一方で、負の値はクラッド7のガラスの伸長性の増加をもたらす。
Preferably, the coefficient of thermal expansion (CTE) of the first glass, in particular the desired
充分な圧縮を達成するために、3ppm/K未満のCTE(クラッド/コア)の差が好ましい。ガラス部材9がシェル17を含む場合、不整合、特に引張応力を防ぐために、クラッド7のガラスのCTEがシェル17のガラスのCTEよりも小さいことが好ましい。有利には、特に少なくともわずかな圧縮を生成するために、シェル17のガラスのCTEは、クラッド7のガラスのCTEよりも大きい。従って、シェル17のガラスのCTEは、クラッド7のガラスのCTEとは異なる。シェルのガラスのCTEとクラッドのガラスのCTEとの差は、CTE(シェル/クラッド)=CTEシェル17のガラス-CTEクラッド7のガラスの差として特定される。この仕様によれば、+5ppm/K~-1ppm/KのCTE(シェル/コア)の差が好ましい。正の値はクラッド7上でのシェル17のガラスの圧縮をもたらす一方で、負の値はシェル17のガラスの伸長性の増加をもたらす。
A CTE (cladding/core) difference of less than 3 ppm/K is preferred to achieve sufficient compression. If the
図9はプリフォーム40を断面図で示す。ガラス部材43は、中に貫通孔を有し、その中にロッド41が挿入されている単一の部材であることができる。代替的に、ロッド41の間に配置され且つロッド41の外向きの側を覆う多数のガラス部材43を使用できる。
FIG. 9 shows the
ロッド41は1つ以上のガラス部材43に融着され、プリフォーム40が延伸されてその長さが増加し且つロッド41の横寸法が減少する。融着は特に延伸段階によって行われることができ、それもガラスを軟化させるための加熱を必要とする。図10は延伸されたプリフォームを示す。プリフォーム40の端部45は元の横寸法をまだ有しており、なぜなら、延伸する力をかけるために、プリフォームはその端部で把持されるからである。次いで、延伸された部分を、部分47へと切断する。それらの部分を一緒にして、図11に示すようにさらなるプリフォーム40を形成する。プリフォーム40を組み立てて延伸する段階、延伸されたプリフォーム40を部分47に切断する段階を、所望のファイバ寸法に達するまで繰り返すことができる。次いで、部分47を、延伸されたプリフォームから切断し、それが上述のようなガラス部材9である。部分47は薄片であってよく、それが図1または7に例示的に示されるようなフェースプレートを形成するか、または図8の例のように延伸され得る。最後に、図12に示されるとおり、ガラス部材9を容器51内の塩浴50中に浸漬する。ナトリウム含有ガラスを用いたガラス部材を強化するために適しているのは、溶融された硝酸カリウムを含む溶融塩浴である。
前記方法の変法によれば、化学強化前にマルチファイバライトガイド1をさらに加工できる。特に、マルチファイバライトガイド1をソケット中に固着するかまたは載置して、ソケット内に固定されたマルチファイバライトガイド1を有する組立品が得られる。固着後、マルチファイバライトガイド1とソケットとを有する組立品をアルカリイオン交換に供して化学強化する。ソケット53と、そこに固着されたマルチファイバライトガイド1を有する複合材55を図13に示す。当然、代替的な実施態様によれば、マルチファイバライトガイド1の化学強化を組立品の製造前に実施してもよい。ソケット53内に固着されている間にマルチファイバライトガイド1が化学的に強化される場合、ソケット53に固着され、従って覆われているマルチファイバライトガイドの部分において、イオン交換を抑制できる。逆に、アルカリ酸化物含分を有するガラスはんだを使用する場合、ガラスはんだがイオン交換工程に供され、ガラスはんだがイオン交換層を示すこともできる。従って、マルチファイバライトガイド1が化学強化の前または後にソケット53に固着されたかどうかを、組立品55から検証できる。
According to a variant of said method, the multi-fiber
ソケット53は金属、好ましくはステンレス鋼、セラミックまたは他のガラスであってよい。1つの実施態様において、ソケット53は金属環である。しかしながら、ソケット53はハウジング部品、例えばウェアラブル電子機器用のハウジングのハウジング部品であってもよい。描かれる例においても実現されるさらなる実施態様によれば、マルチファイバライトガイド1がソケット53にはんだ付けされる。マルチファイバライトガイド1とソケット53との間のはんだ57は、ガラスはんだであってよい。
1 マルチファイバライトガイド
3 ファイバ
5 ファイバ3のコア
7 クラッド
9 ガラス部材
10、11 ライトガイド1の突き合わせ面
12 ライトガイド1の側部
13 イオン交換層
15 吸収ファイバ
17 シェル
20 光学センサ構造体
22 光学センサ構造体20のハウジング
24 センサ要素
26 光源
28 プリント回路板
30、31 光線
32 相互作用域
35 歯科用ロッド
40 プリフォーム
41 ロッド
43 ガラス部材
45 40の端部
47 延伸されたプリフォーム40から切断された部分
50 塩浴
51 容器
53 ソケット
55 組立品
57 はんだ
REFERENCE SIGNS
Claims (15)
・ 多数の導光ファイバ(3)を含み、各々の前記ファイバ(3)は、
・ 細長いガラスコア(5)を含み、ここで、
・ 前記コア(5)はガラスクラッド(7)によって取り囲まれており、
・ 前記クラッド(7)は前記コア(5)と共に堅い連続したガラス部材(9)を形成し、且つ、
・ 前記コア(5)は前記クラッド(7)よりも高い屈折率を有して、光が前記ガラスコア(5)に沿った全反射によって導かれることができ、且つ前記マルチファイバライトガイド(1)の前記ガラス部材(9)は2つの突き合わせ面(10、11)を有し、前記コア(5)は両方の突き合わせ面(10、11)で終了しており、光が前記コア(5)に沿って一方の突き合わせ面(10)から他方の突き合わせ面(11)へと導かれることができ、且つ、
・ 前記コア(5)のガラスおよび前記クラッド(7)のガラスはアルカリイオンを含有し、且つ、
・ 前記ガラスのアルカリイオンは、各々の前記突き合わせ面(10、11)でのイオン交換層(13)内でより大きな原子番号のアルカリイオンによって少なくとも部分的に交換されており、前記イオン交換層(13)内の交換されたアルカリイオンが前記突き合わせ面(10、11)で圧縮応力を付与する、マルチファイバライトガイド(1)。 A multi-fiber light guide (1),
- comprising a number of light guiding fibers (3), each said fiber (3) comprising:
- comprising an elongated glass core (5), wherein:
- said core (5) is surrounded by a glass cladding (7),
- said cladding (7) forms a rigid continuous glass member (9) with said core (5), and
the core (5) has a higher refractive index than the cladding (7) so that light can be guided by total internal reflection along the glass core (5) and the multi-fiber light guide (1 ) has two abutting surfaces (10, 11) and the core (5) terminates on both abutting surfaces (10, 11) so that light can enter the core (5) can be guided from one abutment surface (10) to the other abutment surface (11) along
- the glass of the core (5) and the glass of the cladding (7) contain alkali ions, and
the alkali ions of said glass are at least partially exchanged by higher atomic number alkali ions in an ion exchange layer (13) at each said abutment surface (10, 11), said ion exchange layer ( A multi-fiber light guide (1), wherein exchanged alkali ions within 13) impart compressive stress at said abutment surfaces (10, 11).
・ 前記イオン交換層(13)が、前記2つの突き合わせ面(10、11)の間に延在する、前記ガラス部材(9)のシェル(12)沿いにも延在している、
・ 前記ガラスコア中のイオン交換層(13)の侵入深さは、前記ガラスクラッド中のイオン交換層(13)の侵入深さとは異なる、
・ 前記コア(5)の熱膨張係数(CTE)は、前記クラッド(7)のCTEとは異なる、
・ 前記シェル(17)のガラスのCTEは、前記クラッド(7)のガラスのCTEとは異なる、
を有する、請求項1に記載のマルチファイバライトガイド(1)。 The multi-fiber light guide (1) has at least one of the following characteristics:
- said ion exchange layer (13) also extends along a shell (12) of said glass member (9) extending between said two abutting surfaces (10, 11);
- the penetration depth of the ion-exchange layer (13) in the glass core is different from the penetration depth of the ion-exchange layer (13) in the glass cladding,
- the coefficient of thermal expansion (CTE) of the core (5) is different than the CTE of the cladding (7);
- the CTE of the shell (17) glass is different from the CTE of the cladding (7) glass,
A multi-fiber light guide (1) according to claim 1, comprising:
・ 前記突き合わせ面(10、11)が、それらの表面積において異なる、
・ 前記突き合わせ面(10、11)が、それらの形状において異なる、
・ 前記ガラス部材(9)が少なくとも1つの曲がりを含む、
を含む、請求項4に記載のマルチファイバライトガイド(1)。 At least one of the following characteristics:
- said abutting surfaces (10, 11) differ in their surface area,
- said abutment surfaces (10, 11) differ in their shape,
- said glass member (9) comprises at least one bend;
A multi-fiber light guide (1) according to claim 4, comprising:
・ 前記コア(5)が六角形のパターンに配置されている、
・ 前記クラッド(7)のガラスが光吸収性である、
・ 前記マルチファイバライトガイド(1)の前記ガラス部材(9)が光吸収ファイバ(15)を含む、
・ 隣接する導光ファイバ(3)の中心から中心までの距離が2μm~500μm、好ましくは最大200μmである
ことを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項に記載のマルチファイバライトガイド(1)。 At least one of the following characteristics:
- said cores (5) are arranged in a hexagonal pattern,
- the glass of said cladding (7) is light absorbing,
- said glass member (9) of said multi-fiber light guide (1) comprises a light absorbing fiber (15);
A multi-fiber light according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the center-to-center distance of adjacent light guiding fibers (3) is between 2 μm and 500 μm, preferably at most 200 μm. Guide (1).
・ 第1のガラスの少なくとも1つのロッド(41)と、前記第1のガラスよりも低い屈折率を有する第2のガラスの少なくとも1つのガラス部材(43)とを有するプリフォーム(40)を準備し、前記プリフォーム(40)を、前記ロッド(41)が前記第2のガラスによって取り囲まれるように組み立てる段階、
・ 前記プリフォームを加熱し、前記ロッド(41)を前記少なくとも1つのガラス部材(43)に融着する段階、および
・ 前記プリフォーム(40)を延伸して、その長さを増加し且つ前記ロッド(41)の横寸法を減少させる段階、
・ 延伸されたプリフォーム(40)を部分(47)に切断する段階、および
・ 前記部分を組み立てて、さらなるプリフォーム(40)を形成する段階、ここで、前記部分(47)を新たなプリフォームに組み立てる段階、新たなプリフォーム(40)を延伸する段階、および延伸されたプリフォーム(40)を部分(47)に切断する段階を、好ましくは少なくとも1回繰り返す、
・ 前記プリフォーム(40)から部分(47)を切断して、第2のガラスのクラッド(7)によって取り囲まれた第1のガラスのコア(5)を有する多数の導光ファイバ(3)を含むガラス部材(9)を得る段階、
・ アルカリイオンを含有する塩浴(50)中に前記ガラス部材を浸漬して、前記ガラス部材(9)のガラス中のアルカリイオンとのイオン交換を行って、ガラスに圧縮応力をかけるイオン交換層(13)を前記ガラス部材(9)表面で形成する段階
を含む、前記方法。 A method for manufacturing a multi-fiber light guide (1) according to any one of claims 1 to 7,
- providing a preform (40) comprising at least one rod (41) of a first glass and at least one glass member (43) of a second glass having a lower refractive index than said first glass; and assembling said preform (40) such that said rod (41) is surrounded by said second glass;
- heating said preform to fuse said rod (41) to said at least one glass member (43); and - stretching said preform (40) to increase its length and said reducing the lateral dimension of the rod (41);
- cutting the stretched preform (40) into portions (47); repeating the steps of assembling into a form, stretching a new preform (40), and cutting the stretched preform (40) into portions (47), preferably at least once,
- cutting a portion (47) from said preform (40) to yield a number of light guiding fibers (3) having a first glass core (5) surrounded by a second glass cladding (7); obtaining a glass member (9) comprising
An ion-exchange layer in which the glass member is immersed in a salt bath (50) containing alkali ions to exchange ions with the alkali ions in the glass of the glass member (9) to apply compressive stress to the glass. forming (13) on the surface of said glass member (9).
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